2014 г. NASA официально признает отсутствие "лунных" технологий
___________________________________________
  Последние документы НАСА по недавно остановленной программе «Созвездие» возвращения на Луну к 2020 году обнародовали тот факт, что технически НАСА совершенно не готово послать на Луну миссию с человеком. Это означает, что из знаменитой программы “Аполлон” сегодня просто не на что опереться, и до последнего времени этот факт был табу.
_________________________________________

Фил Кутс
Июнь 2014 г.

Is There Any Hope For A Moon Base? (Есть ли надежда построить, наконец, лунную базу?) -- Журнал NEXUS, Австралия, 2014, август.

Кредо журнала - искать и представлять "труднодоступную информацию". Журнал регулярно
поступает в продажу в Австралии, Великобритании, Новой Зеландии и США.

    С тех пор как программа "Созвездие" возвращения на Луну к 2020 году была отменена в 2010 году, в профессиональной среде не было недостатка мнений о том, что надо делать дальше. Однако, на самом деле работы по разработке систем, обеспечивающих полёты за пределами низкой околоземной орбиты (НОО), продолжались без перерыва, и главная их цель оставалась прежней: разработать заново составляющие компоненты систем для космических путешествий, которые, якобы, имелись в наличии ещё в 1969 году.

Действительно, ключевые аспекты текущей стратегии, сформулированные в Президентском Указе в адрес НАСА от октября 2010 года, вполне определённые: требуется разработать тяжелую ракету-носитель и капсулу для экипажа, которая бы позволила безопасно вернуться на Землю после космического полёта за пределами НОО. Разве это не означает просто ракету, аналогичную "Сатурну-5", и капсулу, похожую на командный модуль "Аполлона"?

Программа "Созвездие", которая планировала возвращение на Луну, была не первая в своем роде. Исторический обзор, сделанный в докладе НАСА [Arch. Study, 2005], перечисляет ряд целевых задач, которые НАСА периодически ставило, начиная с 1989 года, если не раньше, чтобы сформулировать следующую жизнеспособную лунную миссию.

Постоянная станция на Луне казалась тогда наиболее логичной и привлекательной целью, имея в виду шумный успех программы "Аполлон". Мы, вероятно, уже несколько лет имели бы функционирующую обитаемую лунную базу, если бы дорожные карты начала 90-х были реализованы в течение 15 лет.

В связи с этим, программа "Созвездие" отличается своим энтузиазмом, наконец, полететь на Луну. До её отмены в 2010 году в рамках программы был достигнут заметный прогресс, что касается планирования, проектирования и подготовительных работ на сумму около 10 миллиардов долларов. Тем не менее, 15 апреля 2010 года президент Обама, выступая перед учеными, астронавтами и политиками, окончательно денонсировал программу "Созвездие". Вместо высадки на Луну он изложил свой план для НАСА: ”К середине 2030-х годов, я верю, мы сможем отправить людей на орбиту Марса и благополучно вернуть их на Землю", - сказал президент Обама. - И за этим последует посадка на Марс, и я считаю, что ещё увижу это!” [Pres. Speech, 2010].

Очевидно, что эта новая стратегия означает, что никаких пилотируемых полётов ни на Луну, ни на Марс, по крайней мере, в течение 20 лет, начиная с 2010 года, не предвидится. Тогда в чем же проблема с высадкой на Луну? Что на самом деле это означает с точки зрения технологий и проблем логистики – повторить техническую операцию, которая, по данным НАСА, была уверенно многократно выполнена более чем 40 лет тому назад?

Ответ содержится в документах, недавно опубликованных НАСА и американским правительством. Любой такой полёт - это цепь обязательных операций, которые должны быть успешно выполнены. Достаточно для одного или двух звеньев в цепи быть ненадежными, чтобы сделать полет на Луну смертельно опасным, и миссия становится совершенно невозможной, если только одно звено является неполным. Наличие таких проблемных звеньев в цепочке лунной программы было фактически признано НАСА.

Теплозащитный экран посадочного модуля

Одним из важнейших звеньев в лунной миссии является то, что возвращаемая капсула должна иметь надежный теплозащитный экран. Это было в буквальном смысле жизненно важным элементом в конструкции каждого командного модуля Аполлонов. Экран должен был защитить экипажи на траектории спуска в атмосфере Земли при возвращении с Луны, когда командный модуль входит в атмосферу на второй космической скорости. Из-за экстремальных технических требований разработка такого щита была значительным научно-технологическим вызовом в середине шестидесятых.

Согласно хронологии НАСА, первое успешное использование теплового экрана Аполлонов с экипажем на борту произошло уже в декабре 1968 года при возвращении Аполлона-8 после объявленного полёта вокруг Луны. После этого все миссии Аполлонов, как сообщалось, завершались идеальной посадкой, так что никаких проблем как бы никогда не возникало и поэтому не обсуждалось.

Однако отчет по архитектуре программы "Созвездие" обнаружил, что теперь у НАСА имеются проблемы с теплозащитным экраном: “Система тепловой защиты нуждается в материалах, специально разработанных, чтобы противостоять аэротермическому нагреву (тепловой поток, динамическое давление), испытываемому во время гиперзвукового входа в атмосферу как в штатном, так и аварийном режимах. Только абляционные материалы могут эффективно и надёжно удовлетворять максимальным требованиям за счет частичного испарения своей массы при экстремальном нагреве. Аполлоновская абляционная защита TPS (AVCOAT-5061) больше не существует. Приём в эксплуатацию новых или замещающих материалов потребует обширных исследований и испытаний” [Arch. Study, 2005, стр.629].

Проблема с капсулой, возвращаемой на Землю с экипажем, заключается в том, чтобы защитить капсулу от чудовищного нагрева при торможении от второй космической скорости 11,2 км в секунду до скорости снижения, приемлемой для раскрытия парашюта. При прямом входе в атмосферу защитный материал должен выдерживать нагрев до прибл. 2700 oC – сравните с температурой ок. 1600 оС, при которой работает теплозащита "Спейс Шаттла" [NASA News, 2006].

Эта тема десятки лет оставалась в тени американской славы с провозглашённой высадкой на Луну, но оказалась выявлена как всё еще трудноразрешимая проблема. Или, хуже того, может быть, вообще еще не решённая проблема? В отчёте, составленном Счетной Палатой США (GAO), имеется даже более поразительное признание, чем то, которое было сделано четырьмя годами ранее: “Согласно мнению руководителей проекта "Орион", в этом проекте первоначально предполагали использовать теплозащитный экран из программы "Aполлон" в качестве резервной технологии для орионовской системы теплозащиты, но воссоздать материал "Аполлона" не смогли.” [GAO, 2008, стр.6] И далее GAO продолжает: “Характеристики теплозащитного экрана, необходимые для "Ориона", в частности его размеры, никогда не были опробованы и должны ещё быть разработаны.” [GAO, 2008, стр.11].

Важность надлежащей теплозащиты невозможно переоценить. Наличие надежного теплового щита было критически важным условием для безопасного возвращения экипажей Аполлонов. Признание НАСА того факта, что они не могут воссоздать тепловой щит возвращаемой капсулы, является поразительным. Такое признание можно сравнить только с невообразимым утверждением, что, например, американские военные чиновники признали бы, что после использования броневой стали в своих танках во время Второй Мировой войны примерно 40 лет спустя они не обладают технологией для разработки броневой стали и имеют трудности в воспроизводстве такой стали, несмотря на опыт Второй Мировой войны.GAO  заключает: “Что касается системы теплозащиты "Орион", оборудование, имевшееся в эру "Аполлонов" для тестирования крупноразмерных тепловых экранов, больше не существует” [GAO, 2008, стр.14].

Восемнадцать месяцев спустя, возможно, для того, чтобы смягчить шокирующие откровения по поводу отсутствия надлежащего теплового экрана, сделанные в первом докладе, GAO делаeт уточнение:“НАСА использует абляционный материал, полученный из материала, использовавшегося в программе "Аполлон". После некоторых трудностей НАСА успешно воссоздало этот материал. Так как в нём используется структура с множеством сотообразных ячеек, каждая из которых должна быть индивидуально заполнена без пустот и дефектов, задача воспроизводимого их изготовления в соответствии с требуемыми стандартами оказывается сложна. Согласно утверждениям должностных лиц, в ходе программы "Аполлон" ячейки заполнялись вручную. Подрядчик планирует автоматизировать процесс для системы теплозащиты "Ориона", но эта возможность находится в стадии разработки.” [GAO, 2009, стр.11].

Поможет ли это убедить общественность, что проблема исчерпана?

Только относительно недавно, в конце 2012 года, было объявлено, что модуль "Орион" предполагается опробовать при промежуточной скорости около 8,9 км в секунду, для которой ожидаемая температура может достичь 2200 oC [Orion Factsheet, 2012]. Такой подход представляется вполне разумным, если НАСА намеревается шаг за шагом исследовать условия входа в атмосферу, не имея предварительного опыта. Опять же, очевидно, что нет никакой опоры на достижения программы Аполлон.

(продолжение следующим постом)

Подпись автора

[sup]19[/sup] ибо Закон ничего не довёл до совершенства (К евреям, Гл. 7)

Посадка и взлёт с поверхности Луны

Рассматривая оптимальные стратегии полётов на Луну и Марс, НАСА признает, что могут быть технические проблемы при посадке и затем при взлёте с поверхности Луны. Комитет Августина рассматривает варианты пилотируемых программ с отсрочкой высадки человека на Луну как более предпочтительные с точки зрения надёжности, предполагая, что “по крайней мере вначале астронавтам не придётся погружаться в гравитационный колодец, высаживаясь на лунной и марсианской поверхности, и, соответственно, можно отложить затраты на пилотируемые высадки человека на поверхность небесных тел” [Augustine, 2009, стр.15] – и заодно, само собой, избежать проблем с радиационной защитой при выходе на поверхность.

Тем не менее, отдавая в конце концов предпочтение комбинированной стратегии с отсрочкой высадки людей на Луну на неопределённое время, Комитет все равно признает трудности с разработкой посадочного модуля. Спрашивается, а почему бы опять не опереться на опыт программы Аполлон? И почему та техническая задача, с которой так успешно справились около 40 лет тому назад, теперь отмечена как "гравитационный колодец", т. е. глубокая проблема погружения в гравитационое поле как Марса, так и Луны?

Хотя Комитет Августина ведёт речь одновременно о Луне и Марсе, надо отметить, что сила тяжести на поверхности этих небесных тел различна. Если выразить силу тяжести в процентах по отношению к тому, что мы имеем на поверхности Земли, то сила тяжести на Марсе составит примерно 37%, а на Луне 16.6%, то есть в шесть раз слабее, чем на Земле. Само собой, должно быть легче взлетать с Луны.

Естественно было бы ожидать, что НАСА рассмотрит процесс взлета с Марса как сравнительно более сложный, однако НАСА ставит их на один уровень сложности, и это совершенно нелогично. Ну, в самом деле: в 1969 году старт с Луны не составлял проблем, но к 2010 году он превратился в значительную проблему.

Комитет Августина расширил задачи, поставленные в 2005 году, до необозримых пределов: “Следует направиться туда, где люди никогда не были, за пределы системы Земля-Луна, посетить(новые – прим. автора) околоземные объекты, совершить полёт на Марс, тем самым постоянно поддерживая общественный интерес. Исследователи поначалу смогут избежать погружения в довольно глубокие гравитационные колодцы на поверхности Луны и Марса, но зато научатся работать с автоматическими зондами на поверхности планет” [Augustine, 2009, стр.43].

Изначальное намерение Программы "Созвездие", которое состояло лишь в том, чтобы, наконец, вернуться на Луну, можно было бы рассматривать как первый этап в этой новой обширной программе Комитета. Однако теперь новые задачи и ориентиры стали совершенно размыты.

Таким образом, Комитет Августина предусматривает стратегию в обозримом будущем избегать посещения Луны, а также Марса, предоставляя, очевидно, возможность следующему поколению поработать на этом поприще. Это подразумевает, опять же, отсутствие всякой связи с наработками 60-х годов, т. е. всё, включая конструкцию лунного модуля и технику высадки человека, а также методику их обратного отлёта в миссиях "Аполлон" – всё это отодвинуто в сторону как не представляющее ценности в современных космических программах. На этом фоне посмотрим на основную ракету доставки – Сатурн-5.

Тяжелая ракета-носитель

В начале Программы "Созвездие" в 2005 году НАСА выдвинуло такую рекомендацию: “Принять и реализовать концепцию нового поколения ракет-носителей на основе многоразовых ракет системы "Шаттл" для пилотируемых полётов на околоземную орбиту и для доставки аппаратов весом до 125 тонн для проведения исследований за пределами околоземного пространства. После тщательного анализа нескольких вариантов для доставки экипажа и грузов было установлено, что многоразовые системы "Шаттл" имеют значительные преимущества в плане стоимости, планирования, безопасности и надежности” [Arch. Study, 2005, стр.47]. Несмотря на указанные преимущества, система "Шаттл", как основной кандидат, имеет и существенный недостаток: ограниченную полезную нагрузку. Поэтому едва ли она смогла бы послужить в требуемом качестве тяжёлого грузовоза. Действительно, ракета-носитель Сатурн-5 использовалась, чтобы поднять на низкую околоземную орбиту груз прибл. 120 тонн, в то время как Шаттлы ограничены полезными нагрузками около 100 тонн, включая сам возвращаемый корабль. Переделка таких систем представляла бы собой совершенно новую самостоятельную задачу.

Неудивительно, что НАСА продолжило рассматривать различные варианты мощных ракет на пригодность их полётов на Луну. Естественно предположить, что новое поколение ракет-носителей, предназначенных для полётов на Луну, должно было бы учитывать лучшие достижения ракеты Сатурн-5, которая использовалась в программе Аполлон.

Двигатель 1-й ступени F-1. Успех программы Аполлон в значительной степени базировался на лётных качествах ракеты Сатурн-5 с пятью исполинскими двигателями F-1 первой ступени, самыми мощными ракетными двигателями, когда-либо построенными. Однако, в обстоятельном, насчитывающем 750 страниц, архитектурном исследовании космических систем НАСА ракетный двигатель F-1 не рассматривается ни как запасной вариант, ни как прототип для будущих мощных двигателей. Он лишь однажды неявно упоминается в этом детальном обзоре научно-технических возможностей НАСА [Arch. Study, 2005, стр.467].

Вместо этого, за четыре года работы над программой “Созвездие” в НАСА так и не было вынесено четкого решения, на чём же должны быть теперь основаны носители большой грузоподъёмности. К середине 2009 г. Комитет Августина всё ещё пытается выбрать между “недавно предложенной архитектурой "Aрес-1" + "Aрес-5", многоразовыми системами "Шаттл", и "супертяжёлыми" носителями из наследства одноразовых ракет-носителей” [Augustine, 2009, стр.64].

Последние представляют собой двигатели средней мощности, которые НАСА обычно использует для различных беспилотных миссий в последнее время*). Разработка системы носителей "Арес" была частью собственно программы "Созвездие". Опять же, Комитет Августина не упоминает здесь ни ракету Сатурн-5, ни двигатели F-1.

Более того, GAO указывает на проблемы, выявленные в ходе предварительных исследований и моделирования нового пилотируемого корабля Aрес-1: “Моделирование показало, - сообщает GAO, -что колебания тяги(двигателя – прим. автора) в первой ступени приводят к недопустимым структурным вибрациям. Существует вероятность, что частота и амплитуда колебаний тяги могут выйти за пределы проектных требований "Aрес". Специализированная группа НАСА изучала эту проблему и предложила варианты для уменьшения последствий, в том числе встраивание гасителей вибрации в конструкцию первой ступени, а также перекомпоновку корабля "Орион" в части изоляции экипажа от вибраций. [...] Отсутствие полного понимания лётно-технических характеристик модифицированного носителя может привести к риску отказа в работе оборудования и потере контроля над кораблём” [GAO, 2008, стр.10].

Это высказывание имеет исторический аспект. Та же проблема, т.е. продольные колебания корпуса ракеты, вызванные колебаниями в камерах сгорания двигателей первой ступени, проявились при втором полёте Сатурна-5 при его беспилотном запуске 4 апреля 1968 года, известном как Аполлон-6. Так называемые пого-вибрации были настолько велики, что они были признаны как угроза для здоровья и жизни экипажа, а также как угроза для целостности полезной нагрузки, включая посадочный лунный модуль. Уже в то время, в 1968 году, было признано, что “если бы были люди на борту "Аполлона-6", экипаж, наверное, прервал бы полёт в тот момент, когда их так сильно колотило бы, что они не смогли бы работать на борту корабля” [Apollo, 1989, стр.314].

Однако, без каких-либо дополнительных испытательных пусков после проблемного пуска в апреле, в декабре 1968 года ракета Сатурн-5, согласно отчётам НАСА, успешно вывела Аполлон-8 на окололунную орбиту с экипажем на борту.

На третьем беспилотном запуске Сатурна-5 со станцией "Скайлэб" на борту 14 мая 1973 года проблема колебаний вернулась. Этот пуск оказался последним для Сатурна-5. Станция "Скайлэб " была сильно повреждена из-за сильных колебаний первой ступени ракеты. Одна панель солнечных батарей была оторвана от станции, и корпус станции в результате был сильно помят. В течение некоторого периода времени из-за повреждений станция считалась утраченной.

Напрашивается вопрос: как так случилось, что Сатурн-5 успешно отработал с 1969 года по 1972 год, а потом, через 6 месяцев после завершения программы Аполлон, скатился снова к проблеме, которую имел при рождении? Ведь именно между проблемными вторым и третьим беспилотными запусками Сатурна-5 произошли все успешные полеты с человеком к Луне.

Эти исторические факты могли бы помочь нам понять недавние процессы принятия решений в НАСА при разработке тяжелой ракеты-носителя. Не имея возможности полагаться на лучшую аполлоновскую ракету, НАСА пытается выбрать конструкцию мощной ракеты-носителя и сталкивается с проблемой значительных вибраций ракеты, подобных тем, которые наблюдались в двух беспилотных запусках Сатурна-5.

В середине 2009 года, примерно 18 месяцев спустя после первого замечания насчёт вибраций, проявляющихся в первой ступени, GAO признает, что НАСА по-прежнему имеет вибрационные проблемы с Aрес-1: “Еще одна проблема, связанная с вибрацией, - заключил GAO в параллель с комментариями Комитета Августина, - виброакустика - давление звуковых волн, возникающих при работе первой ступени "Aрес-1" и ускорении ракеты в атмосфере, что может привести к неприемлемым колебаниям корпуса всей "Aрес-1" и "Ориона". Согласно заявлениям официальных представителей, НАСА всё ещё определяет, как эти вибрации и акустические волны могут повлиять на космический корабль” [GAO, 2009, стр.13].

(продолжение следует)

Отредактировано gorozhanin (26.12.2015 03:23:58)

Подпись автора

[sup]19[/sup] ибо Закон ничего не довёл до совершенства (К евреям, Гл. 7)